圧延ロールとロールショップ：高性能・長寿命のためのエキスパートソリューション

ロールは圧延機における主要かつ高コストな消耗品です。圧延機で鋼を圧延するために使用され、その性能は使用材料や運用中に受ける荷重など多くの要因に依存します。ロール設計は、圧延荷重、ロール強度、圧延用トルクの制限によって影響を受けます。平坦圧延の場合、ロール曲げ許容とロールのキャンバー（冠付け）も設計に影響します。ロール設計は、任意のパスで必要な荷重とトルクに対応しなければなりません。さらに、圧延シーケンス中に発生する最大荷重に対し、ロールの物理的寸法と材料が耐えられることを保証しなければなりません。ロール寿命に関わるもう一つの重要な要因は、ロール材料の耐摩耗特性です。

ロール材料

鋼の圧延において、ロール材料は圧延材を塑性変形させる荷重に対し、自らは塑性変形しない能力を持つ必要があります。熱間圧延ではこれは難しい問題ではなく、圧延材温度より相当低い温度で運用されるなら、鉄または鋼ロールが適しています。鉄ロールか鋼ロールのどちらを使用するかは、果たすべき特定の任務と、靭性、耐熱割れ性、耐衝撃荷重性、耐摩耗性のいずれが最重要かによります。

ロールは材料（図1）と製造方法で分類でき、第一の大分類は（1）鉄ロール、（2）鋼ロールです。この区分は材料の炭素含有量に依存します。ロールの場合、境界線は通常約2.4% Cとされます。通常、この数値未満を鋼ベース、以上を鉄ベースと呼びます。この2タイプには明確な構造的差異があり、鋼ベースロールには遊離黒鉛が存在しません。鋼ロールは鋳造または鍛造のいずれかであり、さらなる細分化が可能です。上記分類を横断するもう一つの区分が、二重注湯のデュプレックス（二層）ロールで、外層に硬質金属、中心により靭性・強度の高い金属を鋳造するものです。

鉄ロール

鉄ロールには以下の種類があります。

• グレイアイアンロール（灰鉄ロール）：砂型鋳造され、グレイ鋳鉄（遊離黒鉛フレーク含有）で構成されます。ロール構造は全体で均一で、耐火割れ性に優れます。遊離黒鉛によりある程度自己潤滑性があり、エンドスラスト抵抗用のスラストカラー使用時に有利です。典型的成分：C 2.5-3%、Si 0.5-1%、Mn 0.4-0.8%、P 0.5% max、S 0.1% max。Pは湯流れ改善で0.5%まで許容されますが、高温鋳造可能なら低減が望ましく、Pは鋳鉄特性に有害です。Sは最小限に抑制。Siは遊離黒鉛含有量調整用（Siは黒鉛化促進）。MnはS中和と脱酸用。Mn過剰は黒鉛化を阻害します。
• アロイアイアンロール（合金鉄ロール）：グレイ鋳鉄の品質向上のため、各種合金元素を添加し硬度を向上。ニッケル（Ni）、クロム（Cr）、モリブデン（Mo）を少量含み、グレイアイアンよりわずかに優れた耐摩耗性と強度を持ちます。合金添加量の多いアロイアイアンはより硬く耐摩耗性に優れますが、高コストで、より多くの圧延トン数が求められます。Niは黒鉛形成を促進しますが極微細分散のため、靭性と耐火割れ性向上に寄与。Crは共晶炭化物形成傾向を高め黒鉛形成を抑制し、より硬く脆い鉄になります。Moとタングステン（W）は共晶炭化物形成促進に加え、高温強度を付与。Cr合金鉄では脆性によるカラー破損傾向があり、火割れ防止のため十分な水冷却が必要。典型成分：C 3%、Si 1%、Ni 1%（またはMo 0.5%）、Cr 1%。代表的ブランドに「アダマイト」鉄があります。ロール硬度は耐摩耗性の指標で、通常ショア硬度で表現。比較的軟らかいグレイアイアンは30-40度ショア、アロイアイアンで38-50度に向上可能。後者は黒鉛が微細でマトリックスが硬いグレイアイアンです。軟らかいロールは荒圧延・中間圧延に、硬いアロイアイアンは仕上げ圧延に好まれます。
• クリアチル（明確チル）またはデフィニットチルロール：表面層に白鉄（チル層）を持つロール。型のチルで表面を急冷し、遊離黒鉛形成を抑制して形成。芯部は緩やかな冷却でグレイアイアン、中間層は白鉄とグレイアイアンの混合。ネックとウォブラー（スペードエンド）はチルせず、より高い靭性を保持。チル層は硬く耐摩耗性だが脆い。平坦ロールで一般に約25mm厚、浅溝では厚くできる。成分はグレイアイアン類似だがC含有量が高め。低Cは硬度を下げるがロールを強化し、表面割れとスポーリング（剥離）発生を減らすため、厚板圧延など高応力ケースで使用。表面硬度55-65度ショアだが、温度変化と火割れへの耐性良好。パートチルロールは、選択したバレル部分（例：仕上げパス）のみチルし、残りをグレイアイアンとするもの。合金元素添加で硬度65-90度ショア、Ni約4.5%含有、Crで遊離黒鉛形成傾向をバランス。Ni含有チルロールは加工硬化傾向があり、耐火割れ感受性があるため冷間圧延に適するとされます。
• コンポジットまたはデュプレックスロール：非常に硬い表面と靭性のある芯を組み合わせるため、二重注湯で鋳造。初回注湯で高合金白鉄のシェルを形成し、チル型表面で急冷。二回目注湯（多くはグレイアイアン）で溶融合金鉄中心を押し出し、靭性のある芯に置換。シェル硬度75-95度ショア。
• インデフィニットチル（不明確チル）：非常に薄い明確な白鉄・無黒鉛チル層と中間混合ゾーンなし。表層に極微細黒鉛粒子を含み、構造が滑らかにグレイ芯部へ移行。硬度は表面から最初は約1度ショア/10mm深さで緩やかに低下、その後軟らかい中心に向かって急激に低下。したがって良好な使用深度があります。表面はデフィニットチルより耐火割れ・スポーリング耐性が高く、圧延材をより良くグリップします。表面硬度55-75度ショアの合金インデフィニットチルはNi、Cr、Mo含有可能。これらは熱処理で衝撃荷重対策の靭性向上が可能。代表例にアダマイト・インデフィニットチル。耐スポーリング・耐火割れ性を持ちます。
• 球状黒鉛鋳鉄ロール（SGアイアンロール）：一部の工場で採用拡大中。特殊鋳造手順（マグネシウムMg添加）で黒鉛を球状（ノジュラー）化。球状黒鉛鉄は遥かに高い強度と靭性を持ち、前者は高級フレーク黒鉛鉄の約2倍、後者は約12倍向上。ほとんどのロールはパーライト組織だが、ベイナイト組織も利用可能でより良い耐摩耗性。良好な仕上げが得られるが、有害ヒューム発生のため加工時注意必要。SGアイアンロールの摩耗特性は、フレーク黒鉛鉄と同様の速度で均一に摩耗。通常の鉄ロールでは強度不足、鋼ロールでは過度摩耗で寿命が短い場合に適していますが、鉄・鋼ロールより高価なため、用途選定に注意が必要。硬度80度ショア以上も可能。

鋼ロール

鋼ロールは鋳造または鍛造。鉄ロールより遥かに強靭で、鉄ロールでは強度不足と判断される場面で使用されます。より重い圧下（ドラフト）が可能、特に深溝が必要な場合に有利。衝撃荷重による破損リスクが大幅に低く、適切な熱処理で特性を幅広く変化可能。ただし、炭素鋼ロールは硬度が低いため鉄ロールより摩耗が早い傾向があります。

• 鋳鋼ロール：成分により多様。ストレート炭素鋼ロールはC 0.40-0.90%、硬度28-36度ショア。大型ミル（ブルーミング、スラブ、重荒圧延）は低グレード（C 0.60%まで）、ビレット荒圧延スタンドは高グレードを使用。約0.5% Moに少量Ni、Cr（または高Mn）添加で強度向上と火割れ深刻度低減。硬度30-42度ショア。より高合金ロールは一般にC 0.80-1.0%、Mn 0.60-0.90%、Ni 1.0-2.5%、Cr 0.50-1.10%、Mo 0.20-0.40%の範囲。C-Crロール（C 1%、Cr 1.5-1.75%）も製造。通常熱処理済み、硬度35-55度ショア、4ハイミルのバックアップロールとして一般的。W含有合金鋼（硬度40-50度ショア）は耐火割れ性極めて高く、熱間ストリップミル荒圧延ロールに使用されることも。鋳造合金鋼ベースロールもC 0.9-2.5%、Si 0.5-1.0%、Mn 0.4-0.6%、Ni 0.25-1.0%、Cr 0.5-1.5%の範囲で製造。C含有量は鋳鋼ロールより高い範囲。全Cが結合状態。硬度30-55度ショア（C含有量による）、耐摩耗性良好で強靭。寿命はコストに見合う。十分な水冷却必要。
• 鍛造鋼ロール：鋳鋼インゴットから鍛造し、必要な機械加工でより靭性の高い構造に。炭素鋼形（C 0.35-0.75%）では、低C側でブルーミング・スラブ・重荒圧延ミル、高C側で小型中間ミルに使用。これはある程度恣意的で、特定のミル条件に依存。使用前正火、硬度24-30度ショア。合金鋼形では熱処理で幅広い硬度範囲実現可能。50-55度ショアで大型バックアップロール、80度ショア前後で冷間圧延用小型バックアップロール、90-100度ショア（完全焼入れ）で冷間圧延用ワークロール。典型成分：C 1%、Cr 1.5-1.75%、Ni 0.5%。熱間圧延硬度範囲の鍛造鋼ロールは衝撃荷重に高い耐性を持ちます。

超硬ロール

タングステンカーバイド（WCまたはW₂C）はタングステンと炭素を含む化学化合物。極めて高い硬度を持ち、長期圧延キャンペーンが必要な用途でのミルロール製造に有用。WCをバインダー材料と粉末状で混合、粉砕、造粒、成形してニアネットシェイプブランクとし、真空炉で焼結。一部は熱等方圧プレス（HIP）処理。その後、ダイヤモンド砥石または超硬切削工具で所定寸法に研削・旋削。通常、ワイヤーロッド仕上げブロックや一部形鋼圧延に使用。狭いpH範囲と限定硬度の高品質冷却水が必要。推奨pH範囲外の冷却水使用はバインダーを溶出させ、早期ロール表面破損を招く。粒径、バインダー含有量・組成による各種グレードが利用可能。近年は超硬スリーブを鋼軸にマウントすることで中間圧延ミルへの使用も拡大。マウントは機械的方法または超硬リングを軸上でプレス焼結するコンポジットロール方式で実施。

合金元素のロール特性への影響

合金元素のロールへの影響を表1に示します。

表1 合金元素のロール特性への影響
元素	合金鉄ロール	合金鋼ロール
炭素 (C)	硬度・脆性・耐摩耗性増大。延性・チル深度減少	硬度・脆性・耐摩耗性増大。耐衝撃性減少
ケイ素 (Si)	黒鉛増加、清浄度向上、チル深度減少	0.20-0.35%で鋼を清浄化、硬度付与、脱酸剤、鋳造健全化促進
リン (P)	硬度・脆性増大	硬度・脆性増大、延性減少、偏析傾向
硫黄 (S)	硬度・脆性・チル深度増大	硬度・脆性増大、延性減少。慎重な使用必要
マンガン (Mn)	低域でチル減少、高域でチル増大、Ni/Crと合わせ硬度増大、脆性増大	硬度・脆性増大。引張強度・耐摩耗性向上の清浄剤
ニッケル (Ni)	強度・硬度・耐摩耗性増大。チル深度減少	Cr等と合わせ強度・硬度・耐火割れ性増大
モリブデン (Mo)	強度・硬度・耐火割れ性増大、微細化	強度・硬度増大
バナジウム (V)	チル深度・強度・耐火割れ性増大、延性低下	靭性・硬度・熱処理感受性増大
クロム (Cr)	常に硬化剤。Ni/Mo/両方と併用、チル深度増大	硬化剤。Ni/Mo/両方と併用で最良
銅 (Cu)	少量でNiと類似	Niと類似
ホウ素 (B)	硬化剤、慎重に使用	硬度増大

各種熱間圧延ミルで使用されるロールタイプ

ブルーミング・スラブミル、ビレット・商品鋼ミル、形鋼ミル、厚板ミル、熱間ストリップミルで使用されるロールタイプを表2-6に示します。特定ロールの選定は生産要求、初期コスト、要求特性等によります。ロールメーカーと緊密に連携し、これらの要求を可能な限り満たすことが望まれます。

表2 ブルーミング・スラブミル用ロールタイプ

ロールタイプ	表面硬度 (ショア度)
鍛造鋼、0.4% C	24-30
鋳鋼、0.4-0.9% C、延性	28-36
鋳造合金鋼、0-0.5% Mo + Ni, Cr, Mn、強靭、耐火割れ	30-42
アダマイト鋳鋼、高C完全固溶 + Ni, Cr、良好な耐摩耗性だが温度変動防止に大量水冷却必要	30-48

表3 ビレット・商品鋼ミル用ロールタイプ

ロールタイプ	表面硬度 (ショア度)
鍛造鋼 0.75% C、荒圧延スタンドロール	35
鋳鋼 0-0.5% Mo + Ni, Cr, Mn、強靭、耐火割れ	30-42
パーライトグレインロール、鋳鉄、強靭、耐火割れ、ストランドロール	30-38
スペシャルグレインロール、上記改良型	35-40
アダマイト鋳鋼、高C完全固溶 + Ni, Cr、良好な耐摩耗性だが大量冷却必要、荒圧延ロール	30-48
ストレートC インデフィニットチルロール、温度変動回避必要、中間スタンドロール	35-40
アダマイトアロイグレインロール、優れた硬度浸透、温度管理必要、幅広い硬度・強度範囲、ストランドロール	35-50
ストレートC チルロール、温度変化・破損・表面クラック高耐性、小型形鋼ロール	55-65
アダマイトアロイインデフィニットチルロール、上記改良、楕円・ガイドロール	55-70
フルハードアロイインデフィニットチルロール、アダマイト改良例 ニロナイト等	65-85
高合金鋳鉄チルロール、優れた加工硬化、ガイドミルロール	65-90
球状黒鉛、ビレット荒圧延ロール	55
球状黒鉛、棒鋼ミル。ほぼ全スタンド耐火割れ、荒圧延ロール	60-65

表4 形鋼ミル用ロールタイプ

ロールタイプ	表面硬度 (ショア度)
鍛造鋼ロール、荒圧延・中間・仕上げロール	24-30
鋳鋼 0.4-0.9% C、荒圧延ロール	28-36
パーライトグレインロール、強靭、耐火割れ、荒圧延・中間・仕上げロール	30-38
鋳鋼 0-0.5% Mo + Ni, Cr, Mn、強靭、良好な耐火割れ性、荒圧延ロール	30-42
アダマイト鋳鋼、高C完全固溶 + Ni, Cr、良好な耐摩耗性だが大量冷却必要、荒圧延ロール	30-48
スペシャルグレインロール、上記改良型	35-40
超共晶鋼 Ni, Cr, Mo含有、耐摩耗性と強度ほぼ同等、荒圧延・半仕上げロール	35-45
ストレートC インデフィニットチルロール、温度変動回避必要、中間スタンドロール	38-40
アダマイトアロイロール、優れた硬度浸透、温度管理必要、幅広い硬度・強度範囲、中間・仕上げロール	38-50
Cr, W含有鋳鋼、クラック・火割れ高耐性、半仕上げロール	40-50
アダマイトアロイインデフィニットチルロール、上記改良、中間・仕上げロール	55-70
球状黒鉛、リバース荒圧延ロール	45
球状黒鉛、小型形鋼ミル	60-65

表5 厚板ミル用ロールタイプ

ロールタイプ	表面硬度 (ショア度)
パーライトグレインロール、鋳鉄、強靭、耐火割れ、荒圧延ロール	30-38
鋳鉄 0-0.5% Mo + Ni, Cr, Mn、強靭、良好な耐火割れ性	40-42
スペシャルグレインロール、パーライト改良型	35-40
ストレートC チルロール、温度変化・破損・表面クラック高耐性	55-65
上記に0.4-1.0% Mo追加、ワークロール、ミル条件安定必要	55-65
アロイインデフィニットチルロール、冷却で温度変動回避、ワーク・仕上げロール	65-85
アロイチルロール、鋳造Ni合金鉄、良好な加工硬化、仕上げロール	65-90
コンパウンドアロイチルロール、外殻が合金白鉄で作業面、残りが靭性グレイアイアン、超微細仕上げに良い、シェル自己硬化の利点、ワークロール	75-95

表6 熱間ストリップミル用ロールタイプ

ロールタイプ	表面硬度 (ショア度)
鍛造鋼ロール、ワークロール	24-30
アダマイト鋳鋼、高C完全固溶 + Ni, Cr、良好な耐摩耗性だが冷却で温度管理必要、ワークロール	30-38
超共晶鋼 Ni, Cr, Mo含有、耐摩耗性と強度同等、荒圧延ロール	35-45
ストレートC インデフィニットチルロール、温度変動回避必要、中間スタンドロール	38-40
アダマイトアロイグレインロール、優れた硬度浸透だが温度管理必要、幅広い硬度・強度範囲、中間・仕上げロール	35-50
Cr, W含有鋳鋼、クラック・火割れ高耐性、荒圧延ロール	40-50
ストレートC チルロール、温度変化・破損・表面クラック高耐性	55-65
上記に0.4-1.0% Mo追加、ミル条件より安定・厳密管理必要、ワークロール	55-65
アダマイトアロイインデフィニットチルロール、上記改良、熱間仕上げ・プレニッシングロール	55-70
アロイインデフィニットチルロール、アダマイト改良、ワークロール	65-85
アロイチルロール 鋳鉄ロール、類似だが改良された特性、アロイインデフィニットチル類似	65-90
マンガナイトアロイインデフィニットチルロール、火割れ・テールマーク・打痕・スポーリング極めて耐性、トレインワークロール	75-85
球状黒鉛、荒圧延ロール	60-65
球状黒鉛、仕上げロール	65-70
球状黒鉛、バックアップロール	50-55

ロールショップ

ロールショップの機能には以下が含まれます。

• 圧延キャンペーン完了後、圧延機からロールアセンブリを受け入れる
• ロールアセンブリを洗浄し、アセンブリからロールを分解する
• ロールの火割れ検査と直径測定。ロール個別部品とロールベアリングも検査し、必要に応じてローテーション
• ロールの研削・再溝切りを計画し、計画通り実施
• 研削・再溝切り済みロールをロールラックに保管し、圧延スケジュールに合わせてアセンブリを待機
• 分解後のチョックをアセンブリエリアに送り、圧延スケジュールに従い研削・再溝切り済みロールを組み立て
• ロールとチョックの組み立てをペア単位で実施
• 組み立て済みロールペアを圧延機へ送る

チョックとベアリングの検査は定期的に実施。ロールショップの機能には、圧延機での使用中に摩耗したシアーブレードの研削も含まれます。現代の圧延機ロールショップには以下の設備があります。

• 平坦ミル用：重・中・軽荷重、全自動CNCロール研削機とロールローダー
• 形鋼・長尺製品ミル用：重・中・軽荷重、全自動CNCロール溝切り機とロールローダー
• ワイヤーロッドミル・軽形鋼ミル用：超硬ロール・リング研削機
• 全ロールタイプ対応：チョッキング・デチョッキングマシン
• テクスチャリングマシン
• ロール旋盤
• 旋盤、フライス盤、ボール盤
• 誘導加熱・焼入れ設備
• チョック洗浄機
• チョックチルター
• シアーブレードグラインダー
• ロール冷却・洗浄設備
• ロール保管ラック
• ロール搬送台車
• ロールショップ日常作業で使用するその他デバイス

ロールショップは個々のロール性能データを保持し、ロールデータを徹底分析してロール寿命延長を図ります。このためロールサプライヤーと緊密に連携し、次回調達サイクルでのロール化学的・物理的仕様改善を実施。ロール破損時の破損解析では、記録からロール履歴データを提供し調査機関と協力します。

ロールショップの機能には、ミル要求に合わせてロールを入手できるよう適時調達アクションを実施することも含まれます。調達はロール在庫を管理下に置く観点から実施されます。

ロール寿命終了でスクラップ直径に達したら、スクラップロールエリアに移動し廃棄。同様に破損ロールも、破損調査完了後にスクラップエリアへ移動。

現代のロールショップで使用される2つのソフトウェアソリューションがあります。ロールショップ管理システム（RSMS）とロール欠陥管理システム（RDMS）で、ロールショップ運営の完全な制御と分析を行います。RSMSは、実際の研削・溝切りプロセス監視から生産・消費・要求データの収集・処理まで、最小リソースで分析を可能にします。RDMSは、深層欠陥管理機能と自動是正措置により生産性を向上・最適化する強力なツールです。さらにロールショップは圧延機と完全統合され、ミルシステムとロールショップシステム間でデータ交換が必要です。

ロールショップのレイアウトは、ロール移動ロジスティクスの最適化にとって極めて重要。さらに、フォークリフトの自由な移動のための通路確保が必要。

ロールショップ内のロールハンドリング自動化には、自動運転エリア（担当者による直接監督なしで作業実施されるエリア）への担当者立ち入りを防ぐ安全対策の適用が必要。自動作業エリアの限界を示す安全柵を設置。このエリアではメンテナンスまたは緊急時のみ立ち入り許可。